专利名称：熔盐电解法制备铝锂合金的方法
技术领域：
本发明属于材料科学领域，特别涉及熔盐电解法制备铝锂合金的方法
背景技术：
铝锂合金由于具有密度低,强度高等优异特性，成为航空航天和兵器工业等领域的理想结 构材料。
目前生产铝锂合金的方法多为掺和法。这种方法先电解制取出高纯金属锂,然后和铝熔炼, 铸成铝锂合金。此工艺流程长，锂回收率低，而且由于锂密度小(锂密度为0.534g/cm3，铝密度 为2.70g/cm3)、熔点低(锂熔点为180。C,铝熔点为660。C)，很容易团聚在一块,很难制取成 分稳定的铝锂合金。所以对掺法并不是生产铝锂合金最经济合理的方法。
与掺和法相比，直接电解法一步制取铝锂母合金,再利用此母合金与铝熔炼，铸成所需成份 的铝锂合金，减少了锂二次熔铸的氧化损失,锂回收率提高了10%，而且工艺稳定性好。另外， 在实践应用中，对铝锂合金的纯度要求很高，一般要求锂含量在10%左右,钠,钾的含量要求在 5ppm以下，钙的含量在10ppm以下。但是商业应用的电解锂产品纯度大概在99.9%,含200ppm 的钠和钙，还含100ppm的钾。使用这样的电解锂产品和精铝进行掺和很难制取到高纯度要求的 铝锂合金。需要对金属锂进行进一步提纯，这也就使得制取铝锂合金成本提高。因此采用熔 盐电解法一步制取铝锂母合金来制备高纯度、高性能的应用铝锂合金显得尤为吸引人。
目前铝锂合金的生产多采用熔盐电解法。此法是以KCl-LiCl为基本电解质体系,以液态 铝或固态铝为电解槽的阴极，以LiCl为原料，在直流电的作用下，在阳极产生氯气，在阴极生产 铝锂合金。
由于LiCl的蒸汽压很大，电解温度较高时，挥发损失很大。同时电解时还要利用真空装 置将阳极气体产物氯气吸出，这会进一步加大氯化锂的挥发损失。而且高温时氯气对电解槽 的腐蚀性非常强，电解槽的使用寿命縮短。如果发生氯气泄漏，对人身和环境都会造成严重 伤害。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供如下熔盐电解法制备铝锂合金的方法。 本发明采用混合碳酸盐体系或混合硝酸盐体系，通过熔盐电解法制备铝锂合金。具体步
骤为
1、混合碳酸盐体系熔盐电解法制备铝锂合金
将碳酸钾(K2C03)和碳酸锂(Li2C03)混合，混合比例为碳酸锂占混合碳酸盐总质量
的26~52°/。，碳酸钾占混合碳酸盐总质量的48~74%。
将混合碳酸盐置于阴极材质为铝的电解槽中，将装有混合碳酸盐的电解槽加热至 510 600'C，然后向两极通电开始电解，电解时电流密度为0.05-0.3 A/cm2,电解时间为 0.6~2.5h;然后将混合有金属锂的阴极取出，放入新的阴极铝板或铝棒，继续进行电解，获得 金属锂含量为1 15wtM的铝锂合金。
其中当混合碳酸盐中的碳酸锂的浓度变化达到3wt。/。时，向混合碳酸盐中补充碳酸锂， 补充量按碳酸锂在混合碳酸盐中的浓度变化不超过8wt%。
碳酸钾和碳酸锂在使用前充分干燥，要求水分小于0.1wt%。
2、 混合硝酸盐体系熔盐电解法制备铝锂合金
将硝酸钾(KN03)和硝酸锂(LiN03)混合，混合比例为硝酸锂占混合硝酸盐总质量的 20~90%，硝酸钾占混合硝酸盐总质量的10~80%。然后加入电解原料碳酸锂，加入量按碳酸 锂占全部物料的3 8wt。/。，获得混合电解质。
将混合电解质置于阴极材质为铝的电解槽中，将装有混合电解质的电解槽加热至 150~400'C，然后向两极通电开始电解，电解时电流密度为0.05~0.3 A/cm2，电解时间为 0.3~lh，然后将混合有金属锂的阴极取出，放入新的阴极铝板或铝棒，继续进行电解，获得 金属锂含量为1 15wt。/。的铝锂合金。
其中当混合电解质中的碳酸锂的浓度为3wt。/。时，向混合电解质中补充碳酸锂，补充量 按碳酸锂在混合电解质中的浓度为3~8wt%。
碳酸锂、硝酸钾和硝酸锂在使用前充分干燥，要求水分小于0.1wte/0。
3、 电解槽
本发明使用的电解槽装置为多室槽，阳极材质为石墨，阴极材质为铝板或者铝棒；电解 槽装置有两个石墨阳极和一个阴极铝板，阴极放置在两片阳极的正中间，电解槽材质为不锈 钢，底部铺设刚玉绝缘板，电解槽采用外部供热方式。
当采用碳酸钾和碳酸锂体系时，铝板阴极厚度不超过5mm;当采用硝酸钾和硝酸锂体系 时，铝板阴极厚度不超过2mm。
本发明采用的阴极铝板或铝棒的纯度为99.8wtW以上。
本发明首先预定铝锂合金中锂含量以及阴极铝板的质量，通过调节电流密度和电解时间 使铝锂合金产品达到预定水平。
与已有技术相比，本发明的有益效果在于1、采用非氯化物体系的熔盐电解质和原料， 电解过程中不产生氯气；2、常规电解法生产铝锂合金的电解温度通常在660'C以上，本方法
中电解温度不超过600'C，电解温度低，能量消耗降低，生产易于操作和管理；3、电解槽设
计合理，电解过程稳定易控制。
图1为本发明熔盐电解法制备铝锂合金的方法采用的电解槽装置示意图，图中l、石墨 阳极，2、阴极铝板，3、混合盐，4、电解槽体，5、电极引线。
具体实施例方式
以下为本发明优选实施例。
本发明采用的硝酸钾和硝酸锂的纯度为99wt。/。以上。本发明采用的碳酸钾和碳酸锂的纯 度为99wt。/。以上。
本发明中碳酸钾、碳酸锂、硝酸钾和硝酸锂在使用前充分干燥，要求水分小于o.iwty。。 实施例1
采用电解槽装置如图l所示，铝板阴极2放置在两片石墨阳极1的正中间，电解槽体4 材质为不锈钢，底部铺设刚玉绝缘板，电解槽采用外部供热方式；阳极和阴极通过电极引线 5连接电源，电解槽体4内部放置混合盐3。
其中阴极铝板面积为200cm2，厚度为0.5cm，质量为一135g。
将碳酸钾和碳酸锂混合，混合比例为碳酸锂占混合碳酸盐总质量的26%，碳酸钾占混合 碳酸盐总质量的74%。
将1000g混合碳酸盐置于电解槽中，将装有混合碳酸盐的电解槽加热至55CTC，混合碳 酸盐熔化，继续加热到58(TC，然后向两极通电开始电解，电解时电流密度为0.05 A/cm2， 电解完成后，将混合有金属锂的阴极取出，然后放入新的阴极铝板，，继续进行电解。每个新 铝板在电解槽中的使用时间为0.6~0.8h。
当混合碳酸盐中的碳酸锂的浓度为23城°/。时，向混合碳酸盐中补充碳酸锂，补充量为每 0.5h加入6g，并保持碳酸锂在混合碳酸盐中浓度在18 34wt。/。以内。
获得的铝锂合金中金属锂含量为lwt%。 实施例2
采用电解槽装置同实施例1，其中阴极铝板面积为200cm2，厚度为0.5cm，质量为135g。 将碳酸钾和碳酸锂混合，混合比例为碳酸锂占混合碳酸盐总质量的47%，碳酸钾占混合 碳酸盐总质量的53%。
将1000g混合碳酸盐置于电解槽中，将装有混合碳酸盐的电解槽加热至49(TC，混合碳 酸盐熔化，继续加热到530'C，然后向两极通电开始电解，电解时电流密度为0.1A/cm2，电
解完成后，将混合有金属锂的阴极取出，然后放入新的阴极铝板，继续进行电解。每个新铝 板在电解槽中的使用时间为2.1~2.5h。
当混合碳酸盐中的碳酸锂的浓度为44wt%时，向混合碳酸盐中补充碳酸锂，补充量为每 0.5h加入13g，并保持碳酸锂在混合碳酸盐中浓度在39~55 wt%以内。
获得的铝锂合金中金属锂含量为8wt%。 实施例3
采用电解槽装置同实施例1，其中阴极铝板面积为200cm2,厚度为0.5cm，质量为135g。 将碳酸钾和碳酸锂混合，混合比例为碳酸锂占混合碳酸盐总质量的52%，碳酸钾占混合 碳酸盐总质量的48%。
将1000g混合碳酸盐置于电解槽中，将装有混合碳酸盐的电解槽加热至55(TC，混合碳 酸盐熔化，继续加热到580'C，然后向两极通电开始电解，电解时电流密度为0. 1A/cm2，电 解完成后，将混合有金属锂的阴极取出，然后放入新的阴极铝板，继续进行电解。每个新铝 板在电解槽中的使用时间为1.4~2h。
当混合碳酸盐中的碳酸锂的浓度为49wty。时，向混合碳酸盐中补充碳酸锂，补充量为每 0.5h加入35g，并保持碳酸锂在混合碳酸盐中浓度在44 60wt。/。以内。
获得的铝锂合金中金属锂含量为15wt%。 实施例4
采用电解槽装置同实施例l，其中阴极铝板面积为200cm2，厚度为0.2 11，质量为54g。 将硝酸钾和硝酸锂混合，混合比例为硝酸锂占混合硝酸盐总质量的20%，硝酸钾占混合
硝酸盐总质量的80%。然后加入电解原料碳酸锂，加入量按碳酸锂占全部物料的8wt%,获
得混合电解质。
将1000g混合电解质置于电解槽中，将装有混合电解质的电解槽加热至22(TC，混合电 解质熔化，继续加热到30(TC，然后向两极通电开始电解，电解时电流密度为0.05A/cm2,电 解完成后，将混合有金属锂的阴极取出，然后放入新的阴极铝板，继续进行电解。每个新铝 板在电解槽中的使用时间为0.3~0.5h。
当混合电解质中的碳酸锂的浓度为3wt。/。时，向混合电解质中补充碳酸锂，补充量为每 0.5h加入6g，并保持碳酸锂在混合电解质中浓度不超过8 wt%。
获得的铝锂合金中金属锂含量为lwt%。 实施例5
采用电解槽装置同实施例l,其中阴极铝板面积为200cm2，厚度为0.2011，质量为54g。
将硝酸钾和硝酸锂混合，混合比例为硝酸锂占混合硝酸盐总质量的32%,硝酸钾占混合 硝酸盐总质量的68%。然后加入电解原料碳酸锂，加入量按碳酸锂占全部物料的5wt%，获 得混合电解质。
将1000g混合电解质置于电解槽中，将装有混合电解质的电解槽加热至135°C，.混合电 解质熔化，继续加热到25(TC,然后向两极通电开始电解，电解时电流密度为0.2A/cm2,电 解完成后，将混合有金属锂的阴极取出，然后放入新的阴极铝板，继续进行电解。每个新铝 板在电解槽中的使用时间为0.6~lh。
当混合电解质中的碳酸锂的浓度为3wt。/。时，向混合电解质中补充碳酸锂，补充量为每 0.5h加入25g，并保持碳酸锂在混合电解质中浓度不超过8 wt%。
获得的铝锂合金中金属锂含量为10wt%。 实施例6
采用电解槽装置同实施例1,其中阴极铝板面积为200cm2，厚度为0.2 11，质量为54g。 将硝酸钾和硝酸锂混合，混合比例为硝酸锂占混合硝酸盐总质量的90%，硝酸钾占混合
硝酸盐总质量的10%。然后加入电解原料碳酸锂，加入量按碳酸锂占全部物料的3wt%，获
得混合电解质。
将1000g混合电解质置于电解槽中，将装有混合电解质的电解槽加热至245'C，混合电 解质熔化，继续加热到400'C，然后向两极通电开始电解，电解时电流密度为0.3A/cm2，电 解完成后，将混合有金属锂的阴极取出，然后放入新的阴极铝板，继续进行电解。每个新铝 板在电解槽中的使用时间为0.6~15h。
当混合电解质中的碳酸锂的浓度为3wt。/。时，向混合电解质中补充碳酸锂，按补充量为
每0.5h加入35g，并保持硝酸锂在混合电解质中浓度不超过8 wt%。 获得的铝锂合金中金属锂含量为15wt%。
权利要求
1.一种熔盐电解法制备铝锂合金的方法，其特征在于将碳酸钾和碳酸锂混合，混合比例为碳酸锂占混合碳酸盐总质量的26～52％，碳酸钾占混合碳酸盐总质量的48～74％；将混合碳酸盐置于阴极材质为铝的电解槽中，将装有混合碳酸盐的电解槽加热至510～600℃，然后开始电解，电解时电流密度为0.05～0.3A/cm2，电解时间为0.6～2.5h；然后将混合有金属锂的阴极取出，放入新的阴极铝板或铝棒，继续进行电解，获得铝锂合金；其中当混合碳酸盐中的碳酸锂的浓度变化达到3wt％时，向混合碳酸盐中补充碳酸锂，补充量按碳酸锂在混合碳酸盐中的浓度变化不超过8wt％。
2、 根据权利要求1所述的一种熔盐电解法制备铝锂合金的方法，其特征在于碳酸钾和 碳酸锂在使用前充分干燥，要求水分小于0.1^1%。。
3、 一种熔盐电解法制备铝锂合金的方法，其特征在于将硝酸钾和硝酸锂混合，混合 比例为硝酸锂占混合硝酸盐总质量的20~90%，硝酸钾占混合硝酸盐总质量的10~80%;然后 加入碳酸锂，加入量按碳酸锂占全部物料的3 8wt。/。，获得混合电解质；将混合电解质置于阴 极材质为铝的电解槽中，将装有混合电解质的电解槽加热至150-400'C，然后向两极通电开 始电解，电解时电流密度为0. 05~0.3 A/cm2，电解时间为0.3~lh，然后将混合有金属锂的阴 极取出，放入新的阴极铝板或铝棒，继续进行电解，获得铝锂合金；其中当混合电解质中的 碳酸锂的浓度为3wtM时，向混合电解质中补充碳酸锂，补充量按碳酸锂在混合电解质中的浓 度为3~8wt%。
4、 根据权利要求3所述的一种熔盐电解法制备铝锂合金的方法，其特征在于硝酸钾和 硝酸锂在使用前充分干燥，要求水分小于0.1wtn/。。
5、 根据权利要求1或3所述的一种熔盐电解法制备铝锂合金的方法，其特征在于电解 槽装置为多室槽，阳极材质为石墨，阴极材质为铝板或者铝棒；电解槽装置有两个石墨阳极 和一个阴极铝板，阴极放置在两片阳极的正中间。
6、 根据权利要求1或3所述的一种熔盐电解法制备铝锂合金的方法，其特征在于首先 预定铝锂合金中锂含量以及阴极铝板的质量，通过调节电流密度和电解时间使铝锂合金产品 达到预定水平。
7、 根据权利要求1或3所述的一种熔盐电解法制备铝锂合金的方法，其特征在于所述 的铝锂合金中金属锂含量为l~15wt%。
8、 根据权利要求1或3所述的一种熔盐电解法制备铝锂合金的方法，其特征在于阴极 铝板或铝棒的纯度为99.8wty。以上。
全文摘要
熔盐电解法制备铝锂合金的方法，其特征在于采用含有锂盐的混合碳酸盐或混合硝酸盐为电解质，将混合盐置于阴极材质为铝的电解槽中，加热到电解温度，然后进行电解，电解时电流密度为0.05～0.3A/cm<sup>2</sup>，电解完成后，将混合有金属锂的阴极取出，然后放入新的阴极铝板或铝棒，继续进行电解，获得金属锂含量为1～15wt％的铝锂合金。本发明采用非氯化物体系的熔盐电解质和原料，电解过程中不产生氯气；电解温度不超过600℃，电解温度低，能量消耗降低，生产易于操作和管理。
文档编号C25C3/00GK101368281SQ200810013438
公开日2009年2月18日 申请日期2008年9月27日 优先权日2008年9月27日
发明者与亚鑫, 王兆文, 石忠宁, 胡宪伟, 高炳亮 申请人:东北大学